CN116647285B - 信号加密、解密系统及方法与通信系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种信号加密、解密系统及方法与通信系统。信号加密系统包括光源、信号调制组件和光芯片。信号调制组件和光源连接，信号调制组件用于将待加密电信号调制至光源输出的光信号，形成待加密光信号。光芯片和信号调制组件连接，用于将待加密光信号进行加密，输出密钥光信号和加密光信号，密钥光信号用于解密加密光信号。光芯片包括第一端、第二端和第三端，第一端用于接收待加密光信号，第二端用于输出加密光信号，第三端用于输出密钥光信号。本申请提供的信号加密系统利用光芯片对不同幅度光信号的时域响应不同，将待加密光信号的码型打乱得到密钥光信号和加密光信号，以低成本、高保密性和高安全性实现对通信信号的加密。
Description
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种信号加密、解密系统及方法与通信系统。
背景技术
信息安全越来越受到社会重视，信息加密方式的优化也成为了通信技术领域研究的热点。
然而，目前信息加密的方式主要是以加密算法为主的密码学加密方式，单纯依赖算法的复杂性来确保加密的高保密性和高安全性。
发明内容
本申请提供一种信号加密、解密系统及方法与通信系统，可以实现高安全性的信息加密。
本申请的一个方面提供一种信号加密系统，包括：
光源，用于输出光信号；
信号调制组件，和所述光源连接，所述信号调制组件用于将待加密电信号调制至所述光源输出的所述光信号，形成待加密光信号；
光芯片，和所述信号调制组件连接，所述光芯片用于将所述待加密光信号进行加密，输出密钥光信号和加密光信号，所述密钥光信号用于解密所述加密光信号；其中，
所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，所述第一端用于接收所述待加密光信号，所述第二端用于输出所述加密光信号，所述第三端用于输出所述密钥光信号。
本申请提供的信号加密系统将待加密电信号转移至光信号上，利用光芯片对不同幅度的光信号的时域响应不同，将待加密光信号的码型打乱得到密钥光信号和加密光信号，以低成本、高保密性和高安全性实现对通信信号的加密。
进一步地，所述光芯片包括衬底层和位于所述衬底层上方的波导层，所述波导层包括分束结构、第一直波导、第二直波导和耦合结构，所述分束结构包括合束端、第一分束端和第二分束端，所述耦合结构包括并排设置的第一耦合波导和第二耦合波导；
所述第一直波导连接于所述第一分束端和所述第一耦合波导的一端之间，所述第二直波导连接于所述第二分束端和所述第二耦合波导的一端之间；
所述合束端为所述光芯片的所述第一端，所述第一耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第二端，所述第二耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第三端；其中，
所述第一直波导和所述第二直波导的长度不相等。
进一步地，所述信号调制组件包括电光调制装置和信号接收器，所述电光调制装置的输入端和所述光源连接，所述电光调制装置的输出端和所述光芯片的所述第一端连接，所述信号接收器和所述电光调制装置连接；所述信号接收器用于接收所述待加密电信号，所述电光调制装置用于将所述信号接收器输出的所述待加密电信号调制至所述光信号，形成所述待加密光信号。
进一步地，还包括第一光放大器，所述第一光放大器的输入端和所述电光调制装置的输出端连接，所述第一光放大器的输出端和所述光芯片的所述第一端连接，所述第一光放大器用于放大所述待加密光信号的光功率；和/或
还包括第一偏振控制器，所述第一偏振控制器的输入端和所述电光调制装置的输出端连接，所述第一偏振控制器的输出端和所述光芯片的所述第一端连接，所述第一偏振控制器用于控制所述待加密光信号的偏振态；和/或
还包括光隔离器，所述光隔离器的输入端和所述电光调制装置的输出端连接，所述光隔离器的输出端和所述光芯片的所述第一端连接，所述光隔离器用于隔离反向的所述待加密光信号。
本申请的另一方面提供一种信号解密系统，包括：
光芯片，用于将密钥光信号和加密光信号结合，输出解密光信号，所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，所述第二端用于接收所述密钥光信号，所述第三端用于接收所述加密光信号，所述第一端用于输出所述解密光信号。
光电探测器，和所述光芯片的所述第一端连接，用于将所述解密光信号转换为解密电信号。
进一步地，所述光芯片包括衬底层和位于所述衬底层上方的波导层，所述波导层包括分束结构、第一直波导、第二直波导和耦合结构，所述分束结构包括合束端、第一分束端和第二分束端，所述耦合结构包括并排设置的第一耦合波导和第二耦合波导；
所述第一直波导连接于所述第一分束端和所述第一耦合波导的一端之间，所述第二直波导连接于所述第二分束端和所述第二耦合波导的一端之间；
所述合束端为所述光芯片的所述第一端，所述第一耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第二端，所述第二耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第三端；其中，
所述第一直波导和所述第二直波导的长度不相等。
进一步地，还包括第二光放大器和第三光放大器，所述第二光放大器的输出端和所述光芯片的所述第二端连接，所述第二光放大器用于放大所述密钥光信号的光功率；所述第三光放大器的输出端和所述光芯片的所述第三端连接，所述第三光放大器用于放大所述加密光信号的光功率；和/或
还包括第二偏振控制器和第三偏振控制器，所述第二偏振控制器的输出端和所述光芯片的所述第二端连接，所述第二偏振控制器用于控制所述密钥光信号的偏振态；所述第三偏振控制器的输出端和所述光芯片的所述第三端连接，所述第三偏振控制器用于控制所述加密光信号的偏振态。
进一步地，还包括信号分析装置，所述信号分析装置的输入端和所述光电探测器的输出端连接，所述信号分析装置用于分析所述解密电信号的性质。
进一步地，还包括滤波器，所述滤波器的输入端和所述光电探测器的输出端连接，所述滤波器的输出端和所述信号分析装置的输入端连接，所述滤波器用于过滤所述解密电信号的噪声。
本申请的又一方面提供一种通信系统，包括：
上述任一项所述的信号加密系统；
上述任一项所述的信号解密系统；及
光纤，连接于所述信号加密系统和所述信号解密系统之间，所述光纤用于将所述密钥光信号和所述加密光信号自所述信号加密系统传输至所述信号解密系统。
本申请的又一方面提供一种信号加密方法，包括：
获取待加密电信号和光信号；
将所述待加密电信号调制至所述光信号，得到待加密光信号；
利用光芯片将所述待加密光信号进行加密，得到密钥光信号和加密光信号；其中，
所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，通过所述第一端接收所述待加密光信号，通过所述第二端输出所述加密光信号，通过所述第三端输出所述密钥光信号，所述密钥光信号用于解密所述加密光信号。
进一步地，还包括：
放大所述待加密光信号的光功率；和/或
控制所述待加密光信号的偏振态；和/或
隔离反向的所述待加密光信号。
本申请的又一方面提供一种信号解密方法，包括：
利用光芯片将密钥光信号和加密光信号结合，得到解密光信号；
将所述解密光信号进行光电转换，得到解密电信号；其中，
所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，通过所述第二端接收所述密钥光信号，通过所述第三端接收所述加密光信号，通过所述第一端输出所述解密光信号。
进一步地，还包括：
放大所述密钥光信号的光功率和所述加密光信号的光功率；和/或
控制所述密钥光信号的偏振态和所述加密光信号的偏振态。
进一步地，还包括：
过滤所述解密电信号的噪声；
分析所述解密电信号的性质。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1所示为本申请通信系统一实施例的结构示意图；
图2所示为图1所示的通信系统的光芯片的结构示意图；
图3所示为本申请信号加密方法一实施例的流程框图；
图4所示为本申请信号解密方法一实施例的流程框图；
图5所示为本申请一实施例的待加密电信号的时域波形图；
图6所示为图5所示的待加密电信号利用图1所示的通信系统进行加密得到的加密光信号的时域波形图；
图7所示为图5所示的待加密电信号利用图1所示的通信系统进行加密得到的密钥光信号的时域波形图；
图8所示为图6所示的加密光信号和图7所示的密钥光信号利用图1所示的通信系统进行解密得到的解密电信号的时域波形图；
图9所示为图8所示的解密电信号的眼图；
图10所示为本申请另一实施例的待加密电信号的时域波形图；
图11所示为图10所示的待加密电信号利用图1所示的通信系统进行加密得到的加密光信号的时域波形图；
图12所示为图10所示的待加密电信号利用图1所示的通信系统进行加密得到的密钥光信号的时域波形图；
图13所示为图11所示的加密光信号和图12所示的密钥光信号利用图1所示的通信系统进行解密得到的解密电信号的时域波形图；
图14所示为图13所示的解密电信号的眼图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请提供的信号加密系统包括光源、信号调制组件和光芯片。光源用于输出光信号。信号调制组件和光源连接，信号调制组件用于将待加密电信号调制至光源输出的光信号，形成待加密光信号。光芯片和信号调制组件连接，光芯片用于将待加密光信号进行加密，输出密钥光信号和加密光信号，密钥光信号用于解密加密光信号；其中，光芯片包括第一端、第二端和第三端，第一端用于接收待加密光信号，第二端用于输出加密光信号，第三端用于输出密钥光信号。
本申请提供的信号加密系统将待加密电信号转移至光信号上，利用光芯片对不同幅度的光信号的时域响应不同，将待加密光信号的码型打乱得到密钥光信号和加密光信号，以低成本、高保密性和高安全性实现对通信信号的加密。
本申请提供的信号解密系统包括光芯片和光电探测器。光芯片用于将密钥光信号和加密光信号结合，输出解密光信号，所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，所述第二端用于接收所述密钥光信号，所述第三端用于接收所述加密光信号，所述第一端用于输出所述解密光信号。光电探测器和所述光芯片的所述第一端连接，用于将所述解密光信号转换为解密电信号。
本申请提供的通信系统包括信号加密系统、信号解密系统及光纤。光纤连接于所述信号加密系统和所述信号解密系统之间，所述光纤用于将所述密钥光信号和所述加密光信号自所述信号加密系统传输至所述信号解密系统。
本申请提供的信号加密方法包括：获取待加密电信号和光信号。将所述待加密电信号调制至所述光信号，得到待加密光信号。利用光芯片将所述待加密光信号进行加密，得到密钥光信号和加密光信号。其中，所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，通过所述第一端接收所述待加密光信号，通过所述第二端输出所述加密光信号，通过所述第三端输出所述密钥光信号，所述密钥光信号用于解密所述加密光信号。
本申请提供的信号解密方法包括：利用光芯片将密钥光信号和加密光信号结合，得到解密光信号。将所述解密光信号进行光电转换，得到解密电信号。其中，所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，通过所述第二端接收所述密钥光信号，通过所述第三端接收所述加密光信号，通过所述第一端输出所述解密光信号。
下面结合附图，对本申请的信号加密、解密系统及方法与通信系统进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
图1所示为本申请通信系统1一实施例的结构示意图。本申请实施例提供一种通信系统1，包括信号加密系统10、信号解密系统20和光纤。具体地，光纤连接于信号加密系统10和信号解密系统20之间，用于将密钥光信号和加密光信号自信号加密系统10传输至信号解密系统20。本申请实施例提供的通信系统1通过信号加密系统10在光域上将待加密光信号的码型打乱，得到加密光信号和密钥光信号；将加密光信号和密钥光信号传输至信号解密系统20，利用密钥光信号实现对加密光信号的解密，得到解密光信号，实现信号的加密和解密。
在一些实施例中，如图1所示，光纤包括第一光纤910和第二光纤920，第一光纤910连接于信号加密系统10的光芯片300的第三端330和信号解密系统20的光芯片300的第二端320之间，用于将密钥光信号自信号加密系统10的光芯片300传输至信号解密系统20的光芯片300。第二光纤920连接于信号加密系统10的光芯片300的第二端320和信号解密系统20的光芯片300的第三端330之间，用于将加密光信号自信号加密系统10的光芯片300传输至信号解密系统20的光芯片300。
在一些实施例中，第一光纤910和第二光纤920均为单模光纤，相较于多模光纤，单模光纤不易产生其他非线性效应。在一些实施例中，第一光纤910和第二光纤920的长度相等。可以理解的，第一光纤910和第二光纤920作为传输介质，用于传输加密光信号和密钥光信号。可以理解的，光纤的长度越大，其传输损耗越大，可以通过控制光纤的长度以保证较低的传输损耗。
继续参考图1，本申请实施例的信号加密系统10包括光源100、信号调制组件200和光芯片300。光源100用于输出光信号。信号调制组件200和光源100连接，信号调制组件200用于将待加密电信号调制至光源100输出的光信号，形成待加密光信号。光芯片300和信号调制组件200连接，光芯片300用于将待加密光信号进行加密，输出密钥光信号和加密光信号，密钥光信号用于解密加密光信号。其中，光芯片300包括第一端310、第二端320和第三端330，第一端310用于接收待加密光信号，第二端320用于输出加密光信号，第三端330用于输出密钥光信号。本申请实施例的信号加密系统10将待加密电信号转移至光信号上，利用光芯片300对不同幅度的光信号的时域响应不同，将调制后携带信息的连续光，即待加密光信号的码型打乱，得到密钥光信号和加密光信号，以低成本、高保密性和高安全性实现对通信信号的加密。
图2所示为图1所示的通信系统1的光芯片300的结构示意图。在一些实施例中，光芯片300包括衬底层340和位于衬底层340上方的波导层。波导层用于实现光在光芯片300上的传输。波导层的材料可以包括硅基半导体材料、铌酸锂、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料及其他任意可进行特征尺寸微米量级及以下的集成光学材料，本申请不作限制。衬底层340的材料包括但不限于氧化硅。
波导层包括分束结构351、第一直波导352、第二直波导353和耦合结构354。其中，分束结构351可以包括Y形分束结构。具体地，Y形分束结构包括合束端351a、第一分束端351b和第二分束端351c。Y形分束结构的分光比可以包括2：8、3：7、5：5及其他任意分光比。
耦合结构354包括并排设置的第一耦合波导和第二耦合波导，即该耦合结构354可以包括二入二出对称波导耦合结构。具体地，如图2所示，第一耦合波导和第二耦合波导在长度方向上的中间位置相互靠近。耦合结构354的耦合比可以包括2：8、3：7、5：5及其他任意耦合比。耦合结构354的耦合方式为侧向耦合，插入损耗较小。
第一直波导352连接于第一分束端351b和第一耦合波导的一端之间，第二直波导353连接于第二分束端351c和第二耦合波导的一端之间。在一些实施例中，第一直波导352为长度在0.1μm~1mm范围内的直波导；第二直波导353为长度在0.1μm~1mm范围内的直波导，如此，信号在第一直波导352和第二直波导353内的损耗较小。可以理解的，第一直波导352和第二直波导353的长度不限于上述范围，本申请不作限制。
本实施例中的合束端351a为光芯片300的第一端310，第一耦合波导的另一端为光芯片300的第二端320，第二耦合波导的另一端为光芯片300的第三端330。其中，第一直波导352和第二直波导353的长度不相等，如此，待加密光信号可以在经分束结构351分束后，光在第一直波导352和第二直波导353内具有光程差，产生干涉效应，使得输出的加密光信号和密钥光信号不同。第一直波导352的长度可以大于第二直波导353的长度，第一直波导352的长度也可以小于第二直波导353的长度。
在一些实施例中，分束结构351、第一直波导352、第二直波导353和耦合结构354的纵截面宽度均相等，宽度范围在0.1μm-1μm内。在一些实施例中，分束结构351、第一直波导352、第二直波导353和耦合结构354的纵截面高度都相等，高度范围在0.1μm~1μm内，上述宽度范围和高度范围可以在保证光能正常传输的前提下，一定程度上降低光的散射。可以理解的，分束结构351、第一直波导352、第二直波导353和耦合结构354的纵截面宽度和长度不限于上述范围，本申请不作限制。
本申请实施例的光芯片300具有结构简单、尺寸小、集成度高、制作工艺简单、成本低及可大批量生产等优点，为信号加密系统10及通信系统1下一步向小型化和集成化方向发展打下坚实的基础。
需要说明的，本申请实施例的光芯片300的时域响应只会因为光信号幅度信息的变化而变化，因此本申请实施例的信号加密系统10只能对基于振幅偏移键控（AmplitudeShift Keying，ASK）调制格式的通信信号进行加密。
在一些实施例中，光源100包括可调谐输出1500nm~1600nm波长范围内的连续光光源，上述通信波长范围内的光信号损耗较小。当然，可输出其他波长范围连续光光源均在本申请的保护范围内。
参考图1，在一些实施例中，信号调制组件200包括电光调制装置220和信号接收器210，电光调制装置220的输入端和光源100连接，电光调制装置220的输出端和光芯片300的第一端310连接，信号接收器210和电光调制装置220连接。信号接收器210用于接收待加密电信号，电光调制装置220用于将信号接收器210输出的待加密电信号调制至光信号，形成待加密光信号。可选地，信号接收器210可以包括可接收到通信信号的高频信号接收器210，其信号接收频率范围包括0～40GHz。需要说明的，若信号接收频率过高，实际工程应用中较难实现。可以理解的，电光调制装置220包括可进行双边带调制、载波抑制双边带调制、强度调制、相位调制或其他任意调制模式的电光调制器件。可选地，电光调制装置220的电光调制带宽范围包括0～40GHz，也可以包括其他范围，本申请不作限制。需要说明的，电光调制装置220的电光调制带宽范围可根据信号接收器210的信号接收频率范围确定；电光调制装置220的电光调制带宽范围越大，其能够调制的信号的带宽越大，信号调制的灵活性越高。
在一些实施例中，信号加密系统10还包括第一光放大器510，第一光放大器510的输入端和电光调制装置220的输出端连接，第一光放大器510的输出端和光芯片300的第一端310连接，第一光放大器510用于放大待加密光信号的光功率，如此可以补偿光的损耗。可选地，第一光放大器510可以包括可对输入光功率进行放大且放大倍数可调的光放大器，其放大倍数范围可以包括0~30dB。
在一些实施例中，信号加密系统10还包括第一偏振控制器610，第一偏振控制器610的输入端和电光调制装置220的输出端连接，第一偏振控制器610的输出端和光芯片300的第一端310连接，第一偏振控制器610用于控制待加密光信号的偏振态，以补偿系统中各种偏振相关的信号损耗。
在一些实施例中，信号加密系统10还包括光隔离器700，光隔离器700的输入端和电光调制装置220的输出端连接，光隔离器700的输出端和光芯片300的第一端310连接，光隔离器700用于隔离反向的待加密光信号，即避免光源100、信号接收器210、电光调制装置220和第一光放大器510等其他有源器件受到光芯片300的第一端310的耦合端面反射光的损伤。光隔离器700为非互易性光学元件，且其隔离度至少为30dB。
本申请实施例的信号解密系统20包括光芯片300和光电探测器400。光芯片300用于将密钥光信号和加密光信号结合，输出解密光信号，光芯片300包括第一端310、第二端320和第三端330，第二端320用于接收密钥光信号，第三端330用于接收加密光信号，第一端310用于输出解密光信号。光电探测器400和光芯片300的第一端310连接，用于将解密光信号转换为解密电信号，即将连续光中携带的信息转移至电信号中。需要说明的，信号解密系统20的光芯片300和信号加密系统10的光芯片300完全相同，即两者的结构组成、尺寸参数和材料完全相同，如此使得信号解密系统20的光芯片300和信号加密系统10的光芯片300具有完全相同的时域响应，信号解密系统20才可以实现对加密光信号的解密。若窃听者窃听得到第二光纤920中传播的加密光信号，在不知道信号加密系统的光芯片300的结构、尺寸、材料等信息的情况下，就完全无法对加密光信号进行解密。因此，本申请实施例的信号解密系统20具有高保密性及高安全性的优点。
在一些实施例中，光电探测器400为响应带宽至少为0~40GHz的高频光电探测器。
在一些实施例中，光芯片300包括衬底层340和位于衬底层340上方的波导层，波导层包括分束结构351、第一直波导352、第二直波导353和耦合结构354，分束结构351包括合束端351a、第一分束端351b和第二分束端351c，耦合结构354包括并排设置的第一耦合波导和第二耦合波导。第一直波导352连接于第一分束端351b和第一耦合波导的一端之间，第二直波导353连接于第二分束端351c和第二耦合波导的一端之间。合束端351a为光芯片300的第一端310，第一耦合波导的另一端为光芯片300的第二端320，第二耦合波导的另一端为光芯片300的第三端330。其中，第一直波导352和第二直波导353的长度不相等。如前所述，信号解密系统20的光芯片300和信号加密系统10的光芯片300完全相同，即两者的结构组成、尺寸参数和材料完全相同，使得两者具有完全相同的时域响应，信号解密系统20才可以实现对加密光信号的解密。因此，信号解密系统20的光芯片300与上述信号加密系统10的光芯片300相同，如图2所示，其具体结构不再赘述。
在一些实施例中，信号解密系统20还包括第二光放大器520和第三光放大器530，第二光放大器520的输出端和光芯片300的第二端320连接，第二光放大器520用于放大密钥光信号的光功率；第三光放大器530的输出端和光芯片300的第三端330连接，第三光放大器530用于放大加密光信号的光功率，如此可以补偿光的损耗。可选地，第二光放大器520和第三光放大器530可以包括可对输入光功率进行放大且放大倍数可调的光放大器，其放大倍数范围可以包括0~30dB。
参考图1，在一些实施例中，信号解密系统20还包括第二偏振控制器620和第三偏振控制器630，第二偏振控制器620的输出端和光芯片300的第二端320连接，第二偏振控制器620用于控制密钥光信号的偏振态；第三偏振控制器630的输出端和光芯片300的第三端330连接，第三偏振控制器630用于控制加密光信号的偏振态，以补偿系统中各种偏振相关的信号损耗。
在一些实施例中，信号解密系统20还包括信号分析装置810，信号分析装置810的输入端和光电探测器400的输出端连接，信号分析装置810用于分析解密电信号的性质。在上述实施例的基础上，信号解密系统20还包括滤波器820，滤波器820的输入端和光电探测器400的输出端连接，滤波器820的输出端和信号分析装置810的输入端连接，滤波器820用于过滤解密电信号的噪声。信号分析装置810可以包括示波器。可选地，示波器为采样频率范围至少为0~40GHz的高频电信号示波器。在一些实施例中，滤波器820可以包括低通滤波器，低通滤波器可以容许低于截止频率的信号通过，并阻止高于截止频率的信号通过，可以去除解密电信号中的噪声，提高信号的质量。
图3所示为本申请信号加密方法一实施例的流程框图。本申请实施例的信号加密方法包括步骤S100至S300：
在步骤S100中，获取待加密电信号和光信号。
在步骤S200中，将待加密电信号调制至光信号，得到待加密光信号。
在步骤S300中，利用光芯片将待加密光信号进行加密，得到密钥光信号和加密光信号。
其中，光芯片包括第一端、第二端和第三端，通过第一端接收待加密光信号，通过第二端输出密钥光信号，通过第三端输出加密光信号，密钥光信号用于解密加密光信号。
在一些实施例中，信号加密方法还包括步骤S210：
放大待加密光信号的光功率。
可选地，可以利用第一放大器放大待加密光信号的光功率，以补偿待加密光信号的损耗。
在一些实施例中，信号加密方法还包括步骤S220：
控制待加密光信号的偏振态。
可选地，可以利用第一偏振控制器控制待加密光信号的偏振态，以补偿系统中各种偏振相关的信号损耗，提升系统的性能。
在一些实施例中，信号加密方法还包括步骤S230：
隔离反向的待加密光信号。
可选地，可以利用光隔离器隔离反向的待加密电信号，保护上游元器件。
图4所示为本申请信号解密方法一实施例的流程框图。本申请实施例的信号解密方法包括步骤S400至S500：
在步骤S400中，利用光芯片将密钥光信号和加密光信号结合，得到解密光信号。
在步骤S500中，将解密光信号进行光电转换，得到解密电信号。
其中，光芯片包括第一端、第二端和第三端，通过第二端接收密钥光信号，通过第三端接收加密光信号，通过第一端输出解密光信号。
在一些实施例中，信号解密方法还包括步骤S410：
放大密钥光信号的光功率和加密光信号的光功率。
可选地，可以利用第二光放大器放大密钥光信号的光功率，可以利用第三光放大器放大加密光信号的光功率。
在一些实施例中，信号解密方法还包括步骤S420：
控制密钥光信号的偏振态和加密光信号的偏振态。
可选地，可以利用第二偏振控制器控制密钥光信号的偏振态，可以利用第三偏振控制器控制加密光信号的偏振态。
在一些实施例中，信号解密方法还包括步骤S510：
分析解密电信号的性质。
可选地，可以利用示波器分析解密电信号。
在一些实施例中，信号解密方法还包括步骤S520：
过滤解密电信号的噪声。
可选地，可以利用滤波器过滤解密电信号的噪声。
图5所示为本申请一实施例的待加密电信号的时域波形图。在一个具体实施例中，信号接收器210接收到的需要被加密的待加密电信号的码型为非归零码（Non-return-to-zero，NRZ），信号速率为25Gbits/s。非归零码信号选择高低两种电平来表示数字逻辑信号中的“1”和“0”，即由电信号随时间的高低两种幅度变化来传递信息。
在本实施例中，电光调制装置220为进行载波抑制双边带调制的电光调制器件，可将待加密电信号中携带的信息转移到光源100输出的连续光上，即由连续光随时间的高低两种幅度变化来传递信息。被调制后携带信息的待加密电信号耦合进光芯片300中，由于光芯片300对于不同幅度的光信号的时域响应不同，就会打乱原有的连续光码型形状，完成对待加密光信号的加密。
具体地，在本实施例中，参考图2，波导层的材料为硅，衬底层340的材料为氧化硅。分束结构351的分光比为5：5，耦合结构354的耦合比为5：5，第一直波导352的长度为4010μm，第二直波导353的长度为10μm；分束结构351、第一直波导352、第二直波导353、耦合结构354的纵截面宽度均为0.55μm，高度均为0.22μm。
图6所示为图5所示的待加密电信号利用图1所示的通信系统1进行加密得到的加密光信号的时域波形图。图7所示为图5所示的待加密电信号利用图1所示的通信系统1进行加密得到的密钥光信号的时域波形图。需要说明的，图6和图7为通过模拟仿真得到的加密光信号和密钥光信号的时域波形图。参考图1，在本实施例中，加密光信号由光芯片300的第二端320输出，密钥光信号由光芯片300的第三端330输出。加密光信号和密钥光信号分别在第二光纤920和第一光纤910中传输。其中，第二光纤920和第一光纤910的长度相等，均为1km。
经放大和偏振控制后的加密光信号和密钥光信号分别由信号解密系统20的光芯片300的第三端330和第二端320进入到信号解密系统20的光芯片300中。信号加密系统10的光芯片300与信号解密系统20的光芯片300的结构组成、尺寸参数、材料完全相同，如此使得两者有完全相同的时域响应。
加密光信号和密钥光信号在信号解密系统20的光芯片300中传输后，将携带原始信息的连续光恢复出来，由光芯片300的第一端310输出，完成对信号的解密。恢复后的连续光经由光电探测器400进行光电转换，再由低通滤波器820滤掉高频噪声，最后送入示波器中进行信号分析。
图8所示为图6所示的加密光信号和图7所示的密钥光信号利用图1所示的通信系统1进行解密得到的解密电信号的时域波形图。图9所示为图8所示的解密电信号的眼图。需要说明的，图8为通过模拟仿真得到的解密电信号的时域波形图。根据图9可知，本实施例得到的解密电信号的信号质量较好。结合图5和图8可知，通过本申请实施例的通信系统1可以实现对待加密电信号的加密和解密，解密得到的解密电信号的码型与待加密电信号的码型一致。且本实施例中的待加密电信号的码型为非归零码，即由电信号随时间的高低两种幅度变化来传递信息，如图8所示，解密恢复得到的解密电信号和待加密电信号的高低两种电平随时间的变化一致。
图10所示为本申请另一实施例的待加密电信号的时域波形图。在另一个具体实施例中，信号接收器210接收到的需要被加密的通信电信号的码型为四电平脉冲幅度调制码型（4-Level Pulse Amplitude Modulation，4PAM），信号速率为25 Gbits/s。四电平脉冲幅度调制码型信号利用四种电平进行信号传输，每个时钟周期可以传递2bit的信息，如图10所示，即数字逻辑信号中的“00”、“01”、“10”、“11”，即由电信号随时间的高低四种幅度变化来传递信息。
在本实施例中，电光调制装置220为进行载波抑制双边带调制的电光调制器件，可将待加密电信号中携带的信息转移到连续光上，即由连续光随时间的高低四种幅度变化来传递信息。被调制后携带信息的待加密电信号耦合进光芯片300中，由于光芯片300对于不同幅度的光信号的时域响应不同，就会打乱原有的连续光码型形状，完成对待加密光信号的加密。
具体地，在本实施例中，参考图2，波导层的材料为硅，衬底层340的材料为氧化硅。分束结构351的分光比为5：5，耦合结构354的耦合比为5：5，第一直波导352的长度为4010μm，第二直波导353的长度为10μm；分束结构351、第一直波导352、第二直波导353、耦合结构354的纵截面宽度均为0.55μm，高度均为0.22μm。
图11所示为图10所示的待加密电信号利用图1所示的通信系统1进行加密得到的加密光信号的时域波形图。图12所示为图10所示的待加密电信号利用图1所示的通信系统1进行加密得到的密钥光信号的时域波形图。参考图1，在本实施例中，加密光信号由光芯片300的第二端320输出，密钥光信号由光芯片300的第三端330输出。加密光信号和密钥光信号分别在第二光纤920和第一光纤910中传输。其中，第二光纤920和第一光纤910的长度相等，均为1km。
经放大和偏振控制后的加密光信号和密钥光信号分别由信号解密系统20的光芯片300的第三端330和第二端320进入到信号解密系统20的光芯片300中。信号加密系统10的光芯片300与信号解密系统20的光芯片300的结构组成、尺寸参数、材料完全相同，如此使得两者有完全相同的时域响应。
加密光信号和密钥光信号在信号解密系统20的光芯片300中传输后，将携带原始信息的连续光恢复出来，由光芯片300的第一端310输出，完成对信号的解密。恢复后的连续光经由光电探测器400进行光电转换，再由低通滤波器滤掉高频噪声，最后送入示波器中进行信号分析。
图13所示为图11所示的加密光信号和图12所示的密钥光信号利用图1所示的通信系统1进行解密得到的解密电信号的时域波形图。图14所示为图13所示的解密电信号的眼图。需要说明的，图13为通过模拟仿真得到的解密电信号的时域波形图。根据图14可知，本实施例得到的解密电信号的信号质量较好。结合图10和图13可知，通过本申请实施例的通信系统1可以实现对待加密电信号的加密和解密，解密得到的解密电信号的码型与待加密电信号的码型一致。且本实施例中的待加密电信号的码型为四电平脉冲幅度调制码型，即由电信号随时间的高低四种幅度变化来传递信息，如图13所示，解密恢复得到的解密电信号和待加密电信号的高低四种电平随时间的变化一致。
本申请的通信系统1在信号加密系统10中将需要被加密的待加密电信号所携带的信息转移至光信号上，利用集成光芯片300对于不同幅度光信号的时域响应不同，在光域上将信号码型打乱，实现对信号的加密传输以及密钥传输；在信号解密系统20中利用与信号加密系统10中相同结构的集成光芯片300，结合密钥光信号，实现对加密光信号的解密；再将解密后的信息转移至电信号上，得到解密电信号。本申请的信号加密系统10、信号解密系统20及通信系统1巧妙地利用集成光芯片300的时域响应对光信号幅度的影响，结合光电转换技术，可实现对归零码（Return-to-zero，RZ）、非归零码（Non-return-to-zero，NRZ）、曼彻斯特编码（Manchester Encoding，ME）、差分曼彻斯特编码（Differential ManchesterEncoding，DME）、四电平脉冲幅度调制码型（4-Level Pulse Amplitude Modulation，4PAM）、八电平脉冲幅度调制码型（8-Level Pulse Amplitude Modulation，8PAM）、多电平脉冲幅度调制码型（m-Level Pulse Amplitude Modulation，mPAM）等任意编码格式的基于振幅偏移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）调制格式的通信信号的加密，具有方便、准确、高效、加密度高、解密方式简单、不易破解等优点，在无线通信、卫星通信、宇宙空间通信、战场通信等多个民用军用领域均具有重要的应用。
对于方法实施例而言，由于其基本对应于装置实施例，所以相关之处参见装置实施例的部分说明即可。方法实施例和装置实施例互为补充。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (13)
1.一种信号加密系统，其特征在于，包括：
光源，用于输出光信号；
信号调制组件，和所述光源连接，所述信号调制组件用于将待加密电信号调制至所述光源输出的所述光信号，形成待加密光信号；
光芯片，和所述信号调制组件连接，所述光芯片用于将所述待加密光信号进行加密，输出密钥光信号和加密光信号，所述密钥光信号用于解密所述加密光信号；其中，
所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，所述第一端用于接收所述待加密光信号，所述第二端用于输出所述加密光信号，所述第三端用于输出所述密钥光信号；
所述光芯片包括衬底层和位于所述衬底层上方的波导层，所述波导层包括分束结构、第一直波导、第二直波导和耦合结构，所述分束结构包括合束端、第一分束端和第二分束端，所述耦合结构包括并排设置的第一耦合波导和第二耦合波导；
所述第一直波导连接于所述第一分束端和所述第一耦合波导的一端之间，所述第二直波导连接于所述第二分束端和所述第二耦合波导的一端之间；
所述合束端为所述光芯片的所述第一端，所述第一耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第二端，所述第二耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第三端；所述第一直波导和所述第二直波导的长度不相等；
所述待加密电信号为振幅偏移键控调制格式的通信信号。
2.根据权利要求1所述的信号加密系统，其特征在于，所述信号调制组件包括电光调制装置和信号接收器，所述电光调制装置的输入端和所述光源连接，所述电光调制装置的输出端和所述光芯片的所述第一端连接，所述信号接收器和所述电光调制装置连接；所述信号接收器用于接收所述待加密电信号，所述电光调制装置用于将所述信号接收器输出的所述待加密电信号调制至所述光信号，形成所述待加密光信号。
3.根据权利要求2所述的信号加密系统，其特征在于，还包括第一光放大器，所述第一光放大器的输入端和所述电光调制装置的输出端连接，所述第一光放大器的输出端和所述光芯片的所述第一端连接，所述第一光放大器用于放大所述待加密光信号的光功率；和/或
还包括第一偏振控制器，所述第一偏振控制器的输入端和所述电光调制装置的输出端连接，所述第一偏振控制器的输出端和所述光芯片的所述第一端连接，所述第一偏振控制器用于控制所述待加密光信号的偏振态；和/或
还包括光隔离器，所述光隔离器的输入端和所述电光调制装置的输出端连接，所述光隔离器的输出端和所述光芯片的所述第一端连接，所述光隔离器用于隔离反向的所述待加密光信号。
4.一种信号解密系统，其特征在于，包括：
光芯片，用于将密钥光信号和加密光信号结合，输出解密光信号，所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，所述第二端用于接收所述密钥光信号，所述第三端用于接收所述加密光信号，所述第一端用于输出所述解密光信号；
光电探测器，和所述光芯片的所述第一端连接，用于将所述解密光信号转换为解密电信号；
所述光芯片包括衬底层和位于所述衬底层上方的波导层，所述波导层包括分束结构、第一直波导、第二直波导和耦合结构，所述分束结构包括合束端、第一分束端和第二分束端，所述耦合结构包括并排设置的第一耦合波导和第二耦合波导；
所述第一直波导连接于所述第一分束端和所述第一耦合波导的一端之间，所述第二直波导连接于所述第二分束端和所述第二耦合波导的一端之间；
所述合束端为所述光芯片的所述第一端，所述第一耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第二端，所述第二耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第三端；所述第一直波导和所述第二直波导的长度不相等；
其中，产生所述密钥光信号和所述加密光信号的信号加密系统的光芯片与所述信号解密系统的所述光芯片相同。
5.根据权利要求4所述的信号解密系统，其特征在于，还包括第二光放大器和第三光放大器，所述第二光放大器的输出端和所述光芯片的所述第二端连接，所述第二光放大器用于放大所述密钥光信号的光功率；所述第三光放大器的输出端和所述光芯片的所述第三端连接，所述第三光放大器用于放大所述加密光信号的光功率；和/或
还包括第二偏振控制器和第三偏振控制器，所述第二偏振控制器的输出端和所述光芯片的所述第二端连接，所述第二偏振控制器用于控制所述密钥光信号的偏振态；所述第三偏振控制器的输出端和所述光芯片的所述第三端连接，所述第三偏振控制器用于控制所述加密光信号的偏振态。
6.根据权利要求4所述的信号解密系统，其特征在于，还包括信号分析装置，所述信号分析装置的输入端和所述光电探测器的输出端连接，所述信号分析装置用于分析所述解密电信号的性质。
7.根据权利要求6所述的信号解密系统，其特征在于，还包括滤波器，所述滤波器的输入端和所述光电探测器的输出端连接，所述滤波器的输出端和所述信号分析装置的输入端连接，所述滤波器用于过滤所述解密电信号的噪声。
8.一种通信系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-3中任一项所述的信号加密系统；
如权利要求4-7中任一项所述的信号解密系统；及
光纤，连接于所述信号加密系统和所述信号解密系统之间，所述光纤用于将所述密钥光信号和所述加密光信号自所述信号加密系统传输至所述信号解密系统。
9.一种信号加密方法，其特征在于，包括：
获取待加密电信号和光信号；
将所述待加密电信号调制至所述光信号，得到待加密光信号；
利用光芯片将所述待加密光信号进行加密，得到密钥光信号和加密光信号；其中，
所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，通过所述第一端接收所述待加密光信号，通过所述第二端输出所述加密光信号，通过所述第三端输出所述密钥光信号，所述密钥光信号用于解密所述加密光信号；其中，
所述光芯片包括衬底层和位于所述衬底层上方的波导层，所述波导层包括分束结构、第一直波导、第二直波导和耦合结构，所述分束结构包括合束端、第一分束端和第二分束端，所述耦合结构包括并排设置的第一耦合波导和第二耦合波导；
所述第一直波导连接于所述第一分束端和所述第一耦合波导的一端之间，所述第二直波导连接于所述第二分束端和所述第二耦合波导的一端之间；
所述合束端为所述光芯片的所述第一端，所述第一耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第二端，所述第二耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第三端；所述第一直波导和所述第二直波导的长度不相等；
所述待加密电信号为振幅偏移键控调制格式的通信信号。
10.根据权利要求9所述的信号加密方法，其特征在于，还包括：
放大所述待加密光信号的光功率；和/或
控制所述待加密光信号的偏振态；和/或
隔离反向的所述待加密光信号。
11.一种信号解密方法，其特征在于，包括：
利用光芯片将密钥光信号和加密光信号结合，得到解密光信号；
将所述解密光信号进行光电转换，得到解密电信号；其中，
所述光芯片包括第一端、第二端和第三端，通过所述第二端接收所述密钥光信号，通过所述第三端接收所述加密光信号，通过所述第一端输出所述解密光信号；
所述光芯片包括衬底层和位于所述衬底层上方的波导层，所述波导层包括分束结构、第一直波导、第二直波导和耦合结构，所述分束结构包括合束端、第一分束端和第二分束端，所述耦合结构包括并排设置的第一耦合波导和第二耦合波导；
所述第一直波导连接于所述第一分束端和所述第一耦合波导的一端之间，所述第二直波导连接于所述第二分束和所述第二耦合波导的一端之间；
所述合束端为所述光芯片的所述第一端，所述第一耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第二端，所述第二耦合波导的另一端为所述光芯片的所述第三端；所述第一直波导和所述第二直波导的长度不相等；
其中，产生所述密钥光信号和所述加密光信号的信号加密方法中的光芯片与所述信号解密方法中的所述光芯片相同。
12.根据权利要求11所述的信号解密方法，其特征在于，还包括：
放大所述密钥光信号的光功率和所述加密光信号的光功率；和/或
控制所述密钥光信号的偏振态和所述加密光信号的偏振态。
13.根据权利要求11所述的信号解密方法，其特征在于，还包括：
过滤所述解密电信号的噪声；
分析所述解密电信号的性质。
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